Analisis Displacement dan Tegangan von Mises Terhadap Chassis Mobil Listrik Gentayu
Rifky Ismail*, Munadi, Zakki Kurniawan Ahmad, Athanasius Priharyoto Bayuseno Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto Kampus UNDIP Tembalang Semarang 50275
*E-mail: r_ismail@undip.ac.id

## Abstract
The use of electric cars is increasingly  rated positively due to  its lower air pollution and its  simpler machine  construction.  Diponegoro  University  currently  has  a  two-passenger  electric  car  platform, Gentayu, which has been developed in the past few years. In the development of the Gentayu electric car, a chassis frame is needed to support all vehicle loads. The chassis must have the good strength to hold the load and able to distribute the load properly. This study aims to analyze the selection of the Gentayu  electric  car  chassis  using  the  finite  element  method  and  provide  material  recommendations for the Gentayu electric car chassis. This study has two stages, namely, designing the Gentayu electric car model using the Solidwork 2017 application and simulating the finite element method (FEM) using ABAQUS software. In the simulation phase, FEM is carried out by  importing the chassis models from the Solidwork application. The material used in this simulation is alloy steel, aluminum AISI 6061, and carbon fiber. The results obtained from this study are von Mises stress and displacement. The highest von Mises stress is found in carbon fiber material, 200,82 MPa and the highest displacement is found in  AISI  6061  aluminum,  5,83  mm.  In  general,  the  three  types  of  material  selected  in  the  simulation provide safe value. Alloy steel material has advantages in terms of cost and ease of welding  with the body of an electric car.
Kata kunci: analisis tegangan, analisis displacement, chassis, FEM

## Abstrak
Penggunaan  mobil  listrik  semakin  dinilai  positif  karena  tidak  menimbulkan  polusi  udara  secara langung dan memiliki kontruksi mesin yang lebih sederhana. Universitas Diponegoro saat ini memiliki mobil listrik platform 2 penumpang Gentayu yang telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir. Pada  pengembangan  mobil  listrik  Gentayu  ini  dibutuhkan  sebuah  rangka  chassis  yang  berfungsi sebagai penopang semua beban kendaraan. Chassis ini harus memiliki kekuatan untuk menahan beban dan  dapat  mendistribusikan  beban  dengan  baik.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis  pilihan chassis  mobil  listrik  Gentayu  menggunakan  metode  elemen  hingga  dan  memberikan  rekomendasi material untuk chassis mobil listrik Gentayu. Penelitian ini mempunyai 2 tahapan inti yaitu, melakukan perancangan/desain  model  mobil  listik  Gentayu  menggunakan  aplikasi  Solidwork  2017  dan  simulasi finite element method (FEM)  menggunakan software ABAQUS. Pada tahap simulasi FEM dilakukan proses  import  model  chassis  dari  aplikasi  Solidwork.  Material  yang  digunakan  dalam  simulasi  ini adalah  alloy  steel,  alumunium  AISI  6061,  dan  carbon  fiber.  Hasil  yang  didapat  dari  penelitian  ini adalah  tegangan  von  Mises  dan  displacement.  Tegangan  von  Mises  tertinggi  berada  pada  material carbon fiber  yaitu 200,82 MPa dan displacement tertinggi berada pada material alumunium AISI 6061 yaitu 5,83 mm. Secara umum ketiga jenis material yang dipilih pada simulasi memberikan nilai  yang masih aman secara teknis. Material  alloy steel memiliki keunggulan dari aspek biaya dan kemudahan dalam proses pengelasan dengan body mobil listrik.
Kata kunci: analisis tegangan, analisis displacement, chassis, FEM

## 1. Pendahuluan
Penggunaan  mobil  listrik  semakin  dinilai  positif  karena  tidak  menimbulkan  polusi  udara  secara  langung  dan memiliki  kontruksi  mesin  yang  lebih  sederhana.  Universitas  Diponegoro  saat  ini  memiliki  mobil  listrik  platform  2 penumpang  Gentayu  yang  telah  dikembangkan  dalam  beberapa  tahun  terakhir.  Pada  pengembangan  mobil  listrik Gentayu  ini dibutuhkan sebuah rangka  chassis  yang  berfungsi  sebagai penopang  semua  beban kendaraan.  Chassis  ini harus memiliki kekuatan untuk menahan beban dan dapat mendistribusikan beban dengan baik [1].
Chassis juga  berfungsi  untuk  menjaga  agar  mobil  tetap  stabil,  kaku  dan  tidak  mengalami  pembebanan  yang berlebihan.  Apabila pembebanan  yang diberikan  pada  material  berlebihan,  material  dapat  berdeformasi  melebihi  nilai ambang  tegangan  luluh  [2].  Analisis  tegangan  ( stress  analysis) penting  dalam  mengetahui  tegangan,  deformasi kelelahan (fatigue) dan life  prediction yang  dialami  komponen  untuk  menentukan  titik stress tertinggi  yang  biasa dikenal sebagai titik kritis yang mengawali kegagalan. Titik kritis ini adalah salah satu faktor yang dapat menyebabkan
fatigue failure . Besarnya tegangan  kerja saat chasis  menerima  beban  dapat digunakan untuk memprediksi  masa pakai chassis .  Lokasi  titik  tekanan  kritis  sangat  penting  sehingga  pemasangan  komponen  seperti  mesin,  suspensi,  transmisi dan banyak lagi dapat ditentukan dan dioptimalkan.
Metode Elemen Hingga (FEM) adalah salah satu metode untuk menemukan titik kritis [3]. Chassis yang ada saat ini biasanya terbuat dari steel namun karena dirasa massanya terlalu berat maka mulai banyak berkembang chassis dengan bahan dasar aluminium dan carbon fiber yang mempunyai massa jenis lebih ringan dibandingkan steel [4]. Untuk itu, Analisis perlu dilakukan menggunakan metode elemen hingga terhadap beberapa variasi material yang digunakan untuk chassis dan pertimbangan beberapa aspek lain.
Penelitian sebelumnya  mengenai chassis telah dilakukan terhadap  mobil  listrik Gentayu Undip  seperti  Makhrojan, dkk. [5] yang  membahas tentang  simulasi chassis menggunakan  metode elemen  hingga dengan  variasi ketebalan plat bodi mobil. Selanjutnya  Makhrojan, dkk. [6] juga  melanjutkan penelitian tentang simulasi pada chassis menggunakan metode elemen hingga dengan variasi pembebanan pada mobil listrik. Selain itu, pada penelitian lainnya yang dilakukan oleh Budi, dkk. [7] membahas tentang fungsi suspensi pegas depan mobil listrik menggunakan jenis Mc Pherson untuk mengendalikan stabilitas kendaraan dan meningkatkan kenyamanan berkendara.
Berikutnya, beberapa penelitian lain yang membahas tentang mobil listrik Gentayu  juga dilakukan oleh Setiyawan, dkk  [8]  yang  melakukan  penelitian  tentang  analisa  konsumsi  baterai  dengan  berbagai  variasi  jenis  lampu  dan  beban konsumsi  wiper  saat  hujan  pada  obil  listrik  yang  nantinya  akan  digunakan  untuk  memberikan  rekomendiasi  sistem penerangan yang paling efisien untuk mobil listrik. Rifano, dkk. [9] membahas tentang fungsi desain kursi pengemudi untuk  mobil  listrik  menggunakan  analisa  ergonomik  yang  diharapkan  mampu  memberikan  rekomendasi  berdasarkan studi tentang postur pengemudi Indonesia di city car listrik dengan menggunakan goniometer sebagai alat ukur posisi duduk pengemudi.
Pada  mobil  listrik,  penempatan  posisi  baterai  berperan  vital  karena  baterai  yang  digunakan  pada  mobil  listrik  ini memberikan  beban  yang  sangat  besar,  selain  beban  pengemudi  dan  penumpang.  Dengan  adanya  variasi  dari  jenis material  chassis  yang  ada,  lokasi  penempatan  dari  baterai  dapat  mempengaruhi  nilai  tegangan  dan  deformasi  yang muncul pada chassis. Untuk  itu, penelitian  ini  membahas tentang pemilihan  lokasi  baterai pada  mobil  listrik Gentayu dengan mempertimbangkan jenis material yang dapat dipilih untuk chassis.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1. Software
ABAQUS  adalah  sebuah  perangkat  lunak  untuk  program  simulasi  engineering    yang  menggunakan  prinsip  dasar metode  elemen  hingga  sehingga  dapat  memecahkan  masalah  mulai  dari  analisis  linier  yang  relatif  sederhana  sampai simulasi  nonlinier  yang  lebih  rumit.  Program  ini  berfungsi  sebagai  metode  analisis  model  yang  akan  kita  analisis kekuatannya. Seperti kebanyakan program komputer yang  banyak tersedia di  pasaran, ABAQUS  mempunyai  fasilitas CAD/CAM/CAE yang bisa difungsikan sebagai program analisis elastis dan plastis.
Sebagai  bahan dalam penelitian  ini adalah  mobil  listrik Gentayu, namaun  hanya difokuskan pada chassis nya  yang kemudian diberi beban. Dengan pembebanan aki berjumlah 6 buah dengan masing masing aki mempunyai massa 18 kg dan  2  penumpang  dengan  total  massa  200  kg.  Gambar  1  menunjukan  desain  mobil  listrik  Gentayu  menggunakan aplikasi Solidwork.

## 2.2. Material yang Digunakan
Dalam  penelitian  yang  akan  dilakukan  penulis  telah  memilih  3  variasi  material  yang  digunakan.  Kemudian  akan dianalisis  dan  dibandingkan  nilai  dari  von  Mises  dan displacement dari chassis mobil  listrik  Gentayu.  Berikut mechanical properties dari ketiga material dapat dilihat pada Tabel 1 - 3.
Tabel 1 Mechanical properties alloy steel berdasarkan penelitian sebelumnya [5].
Mechanical Properties Nilai Density 785 ton/m 3 Tensile Strength, Ultimate 460 MPa Tensile Strength, Yield 250 MPa Modulus of Elasticity 207000 MPa Poisson's Ratio 0,3 Plastic Strain at UTS 0,35 Tabel 2 Mechanical properties aluminium 6061 [10]. Mechanical Properties Nilai Density 270 ton/m 3 Ultimate Tensile Strength 310 MPa Tensile Yield Strength 276 MPa Modulus of Elasticity 68900 MPa Poisson's Ratio 0,33 Shear Modulus 26000 MPa
Tabel 3 Mechanical properties carbon fiber [11]. Mechanical Properties Nilai Density 1,6 ton/m 3 Ultimate Tensile Strength 500 MPa Tensile Yield Strength 410 MPa Modulus of Elasticity 235.000 MPa Poisson's Ratio 0,25 Shear Modulus 49.000 MPa

## 2.4 Pembebanan
Pada  kondisi  mobil  listrik  tanpa  baterai  dan  tanpa  penumpang,  distribusi  beban  dari  4  roda  saat  ditimbang  di  alat ukur  adalah  sebagai  berikut:  roda  depan  kanan  dan  kiri  masing-masing  150  kg,  roda  belakang  kiri  110  kg  dan  roda belakang kanan adalah 100kg. Pada penelitian ini, beban tambahan yang diberikan adalah beban 2 penumpang dengan massa asumsi maksimal 100 kg dan beban baterai basah yang digunakan pada mobil listrik ini  dengan nilai percepatan gravitasi 9,8 m/s 2 . Setiap  baterai memiliki massa 18 kg dan berjumlah 6 maka untuk massa total  massa baterai  adalah 108 kg. Pemberian beban dibedakan menjadi 2 kasus yaitu : kasus 1 dan kasus 2 dapat dilihat pada Tabel 4. Sedangkan untuk diagram benda bebas dapat dilihat pada Gambar 3.
Tabel 4 . Keterangan pada setiap kasus pembebanan
Variasi Pembebanan Keterangan Kasus 1 Aki terletak di depan dengan 2 penumpang, total massa penumpang 200 kg. Kasus 2 Aki terletak di belakang dengan 2 penumpang, total massa penumpang 200 kg.
(a)                                                                                           (b) 1568 N 1470 N 1960 N 1960 N 2097 N 1999 N 1430 N 1430 N

## (c)
Gambar 3. Variasi pembebanan pada chassis (a) kasus 1, (b) kasus 2 dan (c) adalah posisi chassis di bawah plat body bagian bawah.
Mesh  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  menggunakan  jenis  tetrahedral  yang  secara  automatic  di- create oleh ABAQUS  dan  jumlah  element  yang  digunakan  adalah  1,03  juta  elemen  dengan  jumlah  nodal  sejumlah  1,57  juta. Penggunaan  jumlah  ini  telah  dilakukan  validasi  sebelumnya  dan  mesh  yang  terpilih  menggunakan  mesh  11  yang disediakan oleh ABAQUS. Validasi ini melibatkan pemilihan beberapa jenis ukuran mulai dari ukuran mesh 9 hingga 13.
Setelah mendapatkan hasil dari simulasi FEM dilanjutkan dengan menghitung safety factor. Karena keamanan suatu desain  dapat  ditunjukan  dengan  suatu  nilai  yang  disebut  faktor  keamanan  atau  s afety  factor .  Nilai  dari safety  factor dipengaruhi  oleh  tegangan  yang  terjadi  pada  kontruksi.  Untuk  batas  keamaan chassis nilainya  lebih  dari  1.  Jika  nilai safety factor material akan mengalami deformasi plastis yang nantinya akan menjadikan failure .
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Hasil Simulasi Pada Chassis Mobil Listrik Gentayu
Gambar 4 sample hasil simulasi FEM chassis kasus 1 material aluminium AISI 6061.
Gambar 4 merupakan hasil dari simulasi  metode elemen hingga menggunakan aplikasi ABAQUS dengan material carbon fiber dan mendapatkan hasil tegangan von Mises yaitu 163,8 MPa dan displacement 4,38 mm.
Gambar 5 sample hasil simulasi FEM chassis kasus 1 material carbon fiber.
Gambar 5 merupakan hasil dari simulasi  metode elemen hingga menggunakan aplikasi ABAQUS dengan material carbon fiber dan mendapatkan hasil tegangan von Mises yaitu 168,11 MPa dan displacement 3,56 mm.
Gambar 6 sample hasil simulasi FEM chassis tanpa frame kasus 1 material carbon fiber.
Gambar 6 merupakan hasil dari simulasi  metode elemen hingga menggunakan aplikasi ABAQUS dengan material carbon fiber dan  mendapatkan hasil  tegangan  von Mises  yaitu 200,82 MPa dan displacement 4,61  mm. Pada Tabel  5 menunjukkan tegangan  von  Mises dan displacement yang terjadi  pada chassis mobil  listrik Gentayu berdasarkan dari hasil simulasi yang telah dilakukan.
Tabel 5 Tegangan von Mises, displacement dan safety factor yang terjadi pada chassis.
Kasus Material Tegangan von Mises (MPa) Displacement (mm) Safety factor (MPa) Kasus 1 Alloy steel 165,61 3,76 1,5 Alumunium 163,86 4,38 1,68 Carbon fiber 168,11 3,56 2,43 Kasus 2 Alloy steel 121,77 4,98 2,1 Alumunium 120,42 5,87 2,29 Carbon fiber 123,61 4,78 3,31 Chassis tanpa frame kasus 1 Alumunium 193,15 5,83 1,42 Carbon fiber 200,82 4,61 2,04

## 4. Kesimpulan
Hasil  dari  analisis  tegangan  von  Mises  tertinggi  terdapat  di  material  carbon  fiber  dengan  nilai  200,82  MPa. Sedangkan tegangan von Mises terendah terdapat pada material aluminium AISI 6061 dengan nilai 120,42 MPa. Untuk displacement  tertinggi  terdapat  pada  material  aluminium  AISI  6061  dengan  nilai  5,83  mm,  sedangkan  displacement terendah terdapat pada material carbon fiber dengan nilai 3,56 mm. Dari hasil simulasi chassis mobil listrik sebenarnya tanpa  menggunakan  frame,  chassis  masih  sanggup  menopang  beban.  Material  carbon  fiber  lebih  direkomendasikan, karena memiliki safety factor paling tinggi dibanding material alloy steel dan aluminium AISI 6061.

## Referensi
[1]   Frieske, B., Kloetzke, M., Mauser, F., 2013, “Trends In Vehicle Concept And Key Technology Development For Hybrid And Battery Electric Vehicles”. In Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27).
[2]   Faigle, E. M., 2000, “U.S. Patent No. 6,113,178”. Patent and Trademark Office, Washington DC .
[3]  Patil, H.B., Kachave, S.D., Deore, E.R., 2013, “Stress Analysis of Automotive Chassis with Various Thicknesses”. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 6(1), 44-49.
[4]  Airale,  A.,  Carello,  M.,  Scattina,  A.,  2011,  “Carbon  Fiber  Monocoque  For  A  Hydrogen  Prototype  For  Low Consumption Challenge”. Materialwissenschaft und werkstofftechnik, 42(5), 386-392.
[5] Makhrojan,  A.,  Budi,  S.S.,  Jamari,  J.,  Suprihadi,  A.,  Ismail,  R.,  2015,  “Strength  Analysis  of  Monocoque  Frame Construction  In  An  Electric  City  Car  Using  Finite  Element  Method”. In Electric  Vehicular  Technology  and Industrial,  Mechanical,  Electrical  and  Chemical  Engineering  (ICEVT  &  IMECE),  2015  Joint  International Conference (pp. 275-279). IEEE.
[6]  Makhrojan,  A.,  Budi,  S.S.,  Jamari,  J.,  Suprihadi,  A.,  Ismail,  R.,  (2015,  November).  Strength  analysis  of monocoque  frame  construction  in  an  electric  city  car  using  finite  element  method.  In Electric  Vehicular Technology  and  Industrial,  Mechanical,  Electrical  and  Chemical  Engineering  (ICEVT  &  IMECE),  2015  Joint International Conference (pp. 275-279). IEEE.
[7]  Budi, S.S., Suprihadi, A., Makhrojan, A., Ismail, R., Jamari, J. (2017, January). The effect of linear spring number at side  load of McPherson suspension  in  electric  city car. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1788, No. 1, p. 030076). AIP Publishing.
[8]  Setiyawan, T., Ismail, R., Bayuseno, A.P., (2018, June), Analysis of battery consumption of Gentayu electric car on different types of headlight. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1977, No. 1, p. 060009). AIP Publishing.
[9]  Rifano, R., Ivananda, M.A., Ismail, R., Prastawa, H., Bayuseno, A.P., (2018, June), Ergonomic analysis on driver seat of electric car and  its comparison with Lcgc car seat. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1977, No. 1, p. 020004). AIP Publishing.
[10] Kurdi, O., 2018,  “Optimisasi  Ketebalan  Chassis  Kendaraan untuk Pengurangan  Konsumsi  Bahan  Bakar  Minyak Menggunakan Metode Elemen Hingga”. Eksergi, 14(1).
[11]  Reis, J.M.L.D., 2005, “Mechanical Characterization of Fiber Reinforced Polymer Concrete”., Materials Research, 8(3), 357-360.